Un grupo de investigación de la Universidad ITMO ha desarrollado una fuente de luz controlada basada en nanodiamantes. Los experimentos han demostrado que la capa de diamante duplica la velocidad de emisión de las fuentes de luz y ayuda a controlarlas sin nanoestructuras ni microestructuras adicionales. Esto se logró debido a defectos creados artificialmente en una red de cristal de diamante. Los resultados obtenidos son importantes para el desarrollo de computadoras cuánticas y redes ópticas. El trabajo se publica en el Nanoescala .

Una de las áreas clave de la nanofotónica moderna es el diseño de nanoantenas dieléctricas activas o fuentes fotónicas controladas. Como base para nanoantenas, los científicos suelen utilizar nanopartículas metálicas plasmónicas. Sin embargo, La pérdida óptica y el calentamiento de estas partículas anima a los científicos a buscar alternativas. Por ejemplo, Los investigadores de la Universidad ITMO crearon nanoantenas basadas en perovskitas y silicio. Recientemente, miembros del Laboratorio Internacional de Nanofotónica y metamateriales de la Universidad ITMO desarrollaron un nuevo concepto de nanoantenas dieléctricas activas basadas en nanodiamantes.

Los nanodiamantes son nanoestructuras de carbono con propiedades únicas. Tienen un índice de refracción suficientemente alto, alta conductividad térmica y baja actividad de interacción. Los científicos utilizaron nanodiamantes con los llamados centros de vacantes de nitrógeno (centros NV) creados artificialmente mediante la eliminación de átomos de carbono de la red cristalina del diamante. Las vacantes abiertas luego se vinculan a los átomos de nitrógeno implantados. El espín de electrones de tales centros NV se controla fácilmente con luz, de modo que usando ese espín de electrones, los investigadores pueden registrar información cuántica.

Científicos de la Universidad ITMO estudiaron las propiedades ópticas de los nano-diamantes y descubrieron que su radiación se puede mejorar combinando el espectro de luminiscencia del centro NV con resonancias ópticas Mie de nanopartículas de diamante. Esto se puede lograr en una determinada posición del centro NV y con el tamaño de partícula apropiado. Esto aumentó el factor Purcell de nanodiamantes. Este indicador se utiliza para estimar cómo una concha de diamante afecta la tasa de emisión espontánea de la fuente de luz. Si el factor de Purcell aumenta, el tiempo de atenuación de la luminiscencia se reduce mientras que la señal en sí se vuelve más fuerte y mucho más fácil de leer.

Los científicos enfatizan que este efecto se logra utilizando solo las propiedades de los nanodiamantes. "Generalmente, para acelerar la radiación, hay que crear un complejo sistema de resonadores. Pero logramos lograr resultados similares sin estructuras adicionales. Demostramos experimentalmente que el desvanecimiento de la luminiscencia se puede acelerar al menos dos veces, usando solo física simple, "dice Dmitry Zuev del Laboratorio Internacional de Nanofotónica y Metamateriales.

De hecho, Los experimentos se llevaron a cabo en nanodiamantes con múltiples centros NV, aunque los investigadores también desarrollaron un modelo teórico para el comportamiento de fuentes de fotones individuales en la capa de diamante. Los cálculos mostraron que la velocidad de emisión de luz se puede aumentar varias docenas de veces. "Hoy dia, obtener un solo fotón de un centro NV en una nanoantena es una tarea bastante difícil. Para implementar una nanoantena tan activa en elementos lógicos, por ejemplo, necesita gestionar su emisión. En perspectiva, nuestro concepto ayudará a gestionar eficazmente las fuentes de emisión de fotones individuales. Es muy importante para el desarrollo de computadoras cuánticas y redes de comunicación óptica, "señala Anastasia Zalogina, autor principal del artículo, miembro del Laboratorio Internacional de Nanofotónica y metamateriales.